【導(dǎo)讀】在很多功率電子系統(tǒng)中，需要對(duì)于電源正極輸出電流進(jìn)行檢測(cè)（也稱高端電流檢測(cè)：High-Side Current Sensing），比如電機(jī)控制、線圈驅(qū)動(dòng)、電源管理（像 DC-DC轉(zhuǎn)換，電池檢測(cè)等）。在這些應(yīng)用中，在電源的正極（高端）而非負(fù)極（也就是電流返回端）對(duì)電流檢測(cè)，可以提高電流檢測(cè)性能。
從01 高端電流檢測(cè)
在很多功率電子系統(tǒng)中，需要對(duì)于電源正極輸出電流進(jìn)行檢測(cè)（也稱高端電流檢測(cè)：High-Side Current Sensing），比如電機(jī)控制、線圈驅(qū)動(dòng)、電源管理（像 DC-DC轉(zhuǎn)換，電池檢測(cè)等）。在這些應(yīng)用中，在電源的正極（高端）而非負(fù)極（也就是電流返回端）對(duì)電流檢測(cè)，可以提高電流檢測(cè)性能。例如可以確定對(duì)地短路電流、檢測(cè)續(xù)流二極管中的電流。如果在電源負(fù)端使用分流器來(lái)獲取電源電流可能會(huì)造成地線電位的不一致。下面圖1， 圖2 顯示了使用高端檢測(cè)電機(jī)和電磁線圈電流的電路配置。
▲ 圖1 電磁線圈驅(qū)動(dòng)電路中的高端電流檢測(cè)
▲ 圖2 H-橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路高端電流檢測(cè)電路
▲ 圖3 三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)高端電流檢測(cè)
在上面三個(gè)電流檢測(cè)應(yīng)用中，如果使用PWM驅(qū)動(dòng)，那么在電流檢測(cè)電阻上的共模電壓的擺動(dòng)范圍是從0V到電池電壓。這種PWM輸入信號(hào)是一個(gè)周期性，高頻，快速上升下降的特性，是由電路中功率場(chǎng)效應(yīng)管所產(chǎn)生的。因此，用于對(duì)高端電流分流器進(jìn)行信號(hào)處理的運(yùn)算放大器需要能夠同時(shí)具有極強(qiáng)的共模抑制能力、增益高、精確度高、（電壓、電流）偏置低的特點(diǎn)。
圖1所示的電磁線圈驅(qū)動(dòng)電路中，MOS場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)線圈的電流總是從上往下流動(dòng)，因此單向電流檢測(cè)即可滿足要求。但在圖2，圖3所示的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，電流是雙向的，因此需要電路能夠處理正負(fù)電流信號(hào)。
設(shè)計(jì)者會(huì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在有很多半導(dǎo)體公司提供了不同用于放大高端電流檢測(cè)的芯片。其中一個(gè)重要值得注意的現(xiàn)象，那就是在所有可備選的電流檢測(cè)IC芯片里，可以分成兩大類別：一類為電流檢測(cè)放大芯片，另外一類是 差分放大芯片 。
這里，我們將會(huì)指出和解釋上述兩類信號(hào)處理芯片的主要差別，幫助電子工程師面對(duì)應(yīng)用需求時(shí)選擇最適合的高端電流檢測(cè)方案。下面以雙向差分高電壓運(yùn)算放大器 AD8206[3] 與雙向電流檢測(cè)放大器 AD8210[4] 為例進(jìn)行對(duì)比。這兩款運(yùn)放具有相同的外部管腳，都可以用于高端電流檢測(cè)，但他們的性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻不相同。那么問(wèn)題來(lái)了，在實(shí)際應(yīng)用中究竟選擇哪一種方案呢？ 。
§02 工作基本原理
圖4給出了AD8206集成高電壓差分放大器，可以最高承受65V的功波電壓。芯片輸入端使用了 16.7:1 的反壓電阻將共模電壓限制在運(yùn)放A1的輸入電壓范圍內(nèi)?？上?，輸入分壓電阻也將差分信號(hào)做了等比例的衰減，因此通過(guò)A1、A2兩級(jí)提供的 344V/V 的電壓增益，可以獲得 20V/V 整體電壓放大倍數(shù)。
▲ 圖4 AD8206簡(jiǎn)化原理圖
為了實(shí)現(xiàn)雙向電流檢測(cè)，可以通過(guò)一個(gè)低阻參考電壓源為AD8206中輸出放大器A2的正輸入端設(shè)置一個(gè)正的參考電壓。該芯片甚至可以在共模電壓為負(fù)的時(shí)候繼續(xù)提供對(duì)電流分流電阻上的電壓信號(hào)的放大。
下圖（圖5）給出了最近剛推出的高電壓電流傳感器放大電路AD8210，它的功能與AD8206 相類似，管腳定義都一樣，但它的工作原理卻不同，也帶來(lái)了不同的技術(shù)指標(biāo)。
▲ 圖5 AD8210內(nèi)部功能圖
最大的區(qū)別在于AD8210的輸入并不使用衰減電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)減少高的功波電壓，它的輸入端使用 XFCB IC的制作工藝所產(chǎn)生的高壓三極管，對(duì)應(yīng)的VCE可以高達(dá)65V，從而可以承受高達(dá)65V的公模輸入電壓。
AD8210對(duì)于小的電流差分信號(hào)進(jìn)行放大的方式參加圖5。芯片上第一放大器A1的正負(fù)兩端分別通過(guò)R1、R2連接到電流采樣電阻兩端，A1通過(guò)控制三極管Q1，Q2導(dǎo)通電流來(lái)抵消在正負(fù)輸入端的電壓。Q1，Q2的導(dǎo)通電流在內(nèi)部精確匹配的電阻上產(chǎn)生成比例的電壓（已經(jīng)沒(méi)有了共模電壓了），經(jīng)過(guò)放大器A2放大輸出。A2由+5V供電，輸出的電壓與輸入差分電壓的比例為 20:1 。
AD8210電流放大器的電路結(jié)構(gòu)中輸入結(jié)構(gòu)要求輸入信號(hào)功波電壓需要大于 2V 或者 3V ，不能小于0。在AD8210內(nèi)部通過(guò)內(nèi)置的上拉電阻提升A1輸入電壓，這樣就可以使得輸入共模電壓可以低至 -2V 。
§03 兩種芯片的差異
很顯然，電流傳感放大器（AD8210）與差分放大器（AD8206）在工作機(jī)制上有明顯的差異。前者是將輸入差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)地的不同電流，再由芯片內(nèi)部的電阻轉(zhuǎn)換成沒(méi)有共模電壓的差分信號(hào)經(jīng)由后級(jí)運(yùn)發(fā)放大輸出，芯片主要依靠高壓半導(dǎo)體工藝來(lái)抵抗共模高壓的。而后者則是通過(guò)輸入衰減電阻網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一衰減后，再利用差分放大對(duì)輸入信號(hào)中的差分信號(hào)進(jìn)行放大，芯片則依靠電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)衰減共模高壓的。
雖然在兩個(gè)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)中已經(jīng)將它們的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了說(shuō)明，但一些基于內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異所帶來(lái)的不一樣則不能從芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中立即看清楚。下面列出一些關(guān)鍵點(diǎn)，幫助設(shè)計(jì)最佳的解決方案。
1、放大器帶寬
由于對(duì)輸入信號(hào)的衰減，所以通過(guò)差分放大方案通常只有電流傳感放大器的頻率響應(yīng)帶寬的 五分之一 左右。盡管如此，這兩款芯片的帶寬還是能夠滿足大部分應(yīng)用需求。
比如對(duì)于電磁鐵驅(qū)動(dòng)中，通常需要大于20kHz的PWM驅(qū)動(dòng)，考慮到噪聲對(duì)于電流信號(hào)放大帶寬也要求大于20kHz。對(duì)于電磁鐵控制往往著重考慮平均電流的穩(wěn)定性，所以對(duì)于信號(hào)帶寬要求不高。但在電機(jī)控制中的電流采樣中，特別是對(duì)PWM信號(hào)控制下的電流順時(shí)電流采集，則要求更高的電流放大帶寬，此時(shí)就需要考慮使用電流傳感放大器（AD8210）替代AD8206了，它可以輸出電流信號(hào)更準(zhǔn)確的電流波形。
▲ 電流波形與AD8206輸出的電壓波形
2、共模抑制比
對(duì)于共模電壓的抑制性能方面，電流放大器可以提供更高的共模電壓抑制（CMR：Common-Mode Rejection）性能。比如AD8210，通過(guò)內(nèi)部精確匹配的高壓三極管，可以提供高達(dá) 100-dB 的CMR。依賴于衰減電阻網(wǎng)絡(luò)的AD8206，由于只能做到0.01%的精度，因此它的的CMR為 80-dB 左右。
3.外部濾波網(wǎng)絡(luò)影響
為了抑制電流噪聲，在放大電路輸入端增加RC低通濾波器。比如下圖中，就使用了Rf,Cf組成了電流信號(hào)的低通濾波器。
▲ 圖6 輸入濾波網(wǎng)絡(luò)
對(duì)于差模放大器，它的輸入電阻阻抗大于100kΩ。比如AD8206它的輸入電阻為200kΩ，如果外部電流濾波電阻Rf為200歐姆，所產(chǎn)生的增益誤差大約為 0.1%。如果兩個(gè)低通濾波器電阻Rf之間的匹配誤差也在1%左右，那么所產(chǎn)生的CMR影響大約 94-dB ，不會(huì)對(duì)器件本身所具有的 80-dB 造成很大的 影響。
但是對(duì)于電流傳感方式的放大器，它具有很高的公模輸入電阻。但為了將輸入差分電壓轉(zhuǎn)換成差分電流，則放大器的輸入電阻Rin則只有5kΩ左右。比如AD8210它的Rin為3.5k歐姆。由此外部低通濾波器所帶來(lái)的增益誤差則高達(dá) 5.4% ！同時(shí)，CMR也降低到 59-dB 。
所以在采用電流放大器時(shí)，對(duì)于外部低通濾波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)需要特別考慮，比如濾波電阻最好小于10歐姆。
4、輸入過(guò)載
在偶然情況下，如果負(fù)載出現(xiàn)了過(guò)壓、過(guò)流，這樣就會(huì)在電流傳感放大器AD8210兩端造成極大的差分電壓，從而可以引起芯片的損壞。對(duì)于采用差分放大的AD8206來(lái)說(shuō)，對(duì)于負(fù)載面臨的過(guò)流、過(guò)壓則會(huì)有更寬的承受范圍，并不容易引起芯片的崩潰。
5、反向電壓保護(hù)
在有些情況下，可能出現(xiàn)設(shè)備電源電壓接反，這樣就會(huì)在電流放大器兩端產(chǎn)生復(fù)制非常高的負(fù)共模電壓。具有分壓電阻網(wǎng)絡(luò)輸入的差分放大器（AD8206）對(duì)于這種偶然出現(xiàn)的負(fù)共模電壓有很強(qiáng)的的忍受能力，但對(duì)于AD8210則情況大為不妙了。由于它的輸入Rin阻值相對(duì)較小，大的負(fù)共模電壓就會(huì)使得芯片中的ESD二極管導(dǎo)通，從而引起內(nèi)部電路損壞。
6、輸入偏置電流
在一些低功耗應(yīng)用電路中，需要考慮芯片的靜態(tài)工作電流。對(duì)于AD8206它的輸入電阻網(wǎng)絡(luò)即使在芯片不供電的情況下，電阻網(wǎng)絡(luò)依然消耗高端電源電流。對(duì)應(yīng)的AD8210，則會(huì)在電路掉電之后，也將內(nèi)部的晶體管電路關(guān)閉，所以幾乎不再消耗任何電源電流了。因此，在電池供電的低功耗應(yīng)用中，AD8210可能會(huì)更合適一些。
§04 電流檢測(cè)方案總結(jié)
在電動(dòng)車、通訊、消費(fèi)類產(chǎn)品以及工業(yè)應(yīng)用中，高端電流檢測(cè)被廣泛應(yīng)用。基于差分電壓放大的檢測(cè)與基于電流檢測(cè)放大兩個(gè)檢測(cè)方案可以在設(shè)計(jì)中被采用。雖然這些IC在功能和管腳定義上相同，但面臨采集精度、系統(tǒng)可靠性方面要求高的時(shí)候，則需要根據(jù)兩者方案內(nèi)部機(jī)理不同考慮選擇合適的電流檢測(cè)方案。下面表格中給出了這兩種方案的對(duì)比。
【表格1 對(duì)比電流放大與差分放大方案】
參考資料
[1]High-Side Current Sensing: Difference Amplifier vs. Current-Sense Amplifier:
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/high-side-current-sensing.html
[2]本文原文的PDF下載:https://www.analog.com/media/en/analog-dialogue/volume-42/number-1/articles/high-side-current-sensing.pdf
[3]AD8206:https://www.analog.com/en/products/ad8206.html
[4]AD8210:https://www.analog.com/en/products/ad8210.html
（來(lái)源：面包板社區(qū)，作者:TsinghuaJoking）
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